DE102006059697B4

DE102006059697B4 - Linear high frequency ion trap of high mass resolution

Info

Publication number: DE102006059697B4
Application number: DE102006059697A
Authority: DE
Inventors: Karsten Michelmann
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: US20080142706A1; GB2445088A; US7737398B2; GB0724507D0; DE102006059697A1; GB2445088B

Abstract

Lineare Ionenfalle für ein Massenspektrometer, mit radialem Auswurf der Ionen, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Achse auf einer Auswurfseite oder zwei gegenüberliegenden Auswurfseiten der linearen Ionenfalle eine Vielzahl von n Messeinrichtungen zur ortsbezogenen Messung der Ströme der ausgeworfenen Ionen angeordnet ist.Linear ion trap for a mass spectrometer, with radial ejection of the ions, characterized in that along the axis on one ejection side or two opposite ejection sides of the linear ion trap a plurality of n measuring means for location-based measurement of the streams of the ejected ions is arranged.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lineare Ionenfalle, die zwischen mindestens vier stabförmigen Elektroden ein im Wesentlichen quadrupolares elektrisches Hochfrequenzfeld aufspannt und Ionen orthogonal zur Achse massenselektiv auswerfen kann.The invention relates to a linear ion trap which spans a substantially quadrupolar electrical high-frequency field between at least four rod-shaped electrodes and can emit ions orthogonal to the axis in a mass-selective manner.

Die Erfindung besteht darin, Feldunregelmäßigkeiten längs der Achse, die zu einem gleichzeitigem Auswurf von Ionen leicht verschiedener Massen an verschiedenen Auswurfsorten der linearen Ionenfalle führen, dadurch zu kompensieren, dass die ausgeworfenen Ionen an den verschiedenen Auswurfsorten durch eine Vielzahl von Detektoren gemessen und die verschiedenen ortsabhängig gemessenen Massenspektren der einzelnen Detektoren massenkalibriert zusammengefügt werden.The invention is to compensate for field irregularities along the axis that result in simultaneous ejection of ions of slightly different masses at different ejection locations of the linear ion trap, by measuring the ejected ions at the different ejection sites by a plurality of detectors and the different ones depending on location mass spectra of the individual detectors are mass-calibrated.

Stand der TechnikState of the art

Lineare Ionenfallen sind in der Patentschrift US 5 420 425 A (Bier et al.) beschrieben. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform, die auch in einem erfolgreichen kommerziellen Massenspektrometer verwendet wird, besteht darin, vier hyperbolisch geformte Stäbe zu einem sehr präzisen linearen Quadrupolsystem zusammenzufügen, zwei gegenüberliegende Stäbe mit Schlitzen zu versehen, und die in Gas gekühlten Ionen durch radiale resonante Anregung durch die Schlitze hindurch massenselektiv auszuwerfen. Bei vollkommen symmetrischer Anordnung treten die Ionen dann während eines so genannten Massenscans über die einzelnen Massensignale hinweg gleichmäßig (wenn auch durch die resonant angeregten Schwingungen der Ionenwolken in gegeneinander versetzten Ionenpulsen) durch beide Schlitze in den gegenüberliegenden Polstäben aus und werden durch zwei flächige Detektoren vor den beiden Schlitzen gemessen. Eine solche lineare Ionenfalle ist schematisch in gezeigt, wobei allerdings nur ein Detektor sichtbar ist. Aus der Offenlegungsschrift WO 03/067623 A1 (Schwartz et al.) sind lineare Ionenfallen mit zwei und vier geschlitzten Polstäben bekannt, wobei an den Polstäben jeweils ein einzelner flächiger Detektor angeordnet ist. Aus der Patentschrift US 5 693 941 A (Barlow et al.) ist eine dreidimensionale Ionenfalle mit zwei Detektoren bekannt, die beide an einer Endkappenelektrode angeordnet sind.Linear ion traps are in the patent US 5 420 425 A (Bier et al.). A particularly preferred embodiment, which is also used in a successful commercial mass spectrometer, is to join four hyperbolic shaped rods into a very precise linear quadrupole system, slot two opposing rods, and gas cooled ions by radial resonant excitation through the two Slots through mass selective eject. In a perfectly symmetrical arrangement, the ions then pass through the individual mass signals evenly during a so-called mass scan (although by the resonantly excited oscillations of the ion clouds in mutually offset ion pulses) through both slits in the opposite pole rods and are detected by two planar detectors measured both slits. Such a linear ion trap is schematically shown in FIG shown, but only one detector is visible. From the publication WO 03/067623 A1 (Schwartz et al.) Linear ion traps with two and four slotted pole rods are known, wherein each of the pole rods, a single planar detector is arranged. From the patent US 5,693,941 A (Barlow et al.) A three-dimensional ion trap having two detectors is known, both of which are disposed on an end cap electrode.

Für die Aufnahme eines Massenspektrums ist ein Massenscan erforderlich, der Betriebsparameter der Ionenfalle so verändert, dass die Ionen massenselektiv und massensequentiell aus der Ionenfalle zu den Detektoren hin ausgeworfen und in den Detektoren gemessen werden. Unter „Masse” ist hier, wie immer in der Massenspektrometrie, die ladungsbezogene Masse m/z zu verstehen. Es sind dem Fachmann mehrere Arten solcher Massenscans bekannt, darunter insbesondere der Auswurf durch Speicher-Instabilität am Rande des Mathieuschen Stabilitätsdiagramms, und der Auswurf der Ionen durch eine radiale resonante Anregung mit einer dipolaren Anregungshochfrequenzspannung. Im letzteren Falle kann der resonante Auswurf durch nichtlineare Resonanzen unterstützt werden; es sind dann besonders schnelle Scanverfahren mit hoher Massenauflösung möglich, wie das in der Offenlegungsschrift DE 102 36 346 A1 (J. Franzen, G. Weiß) beschrieben ist (entsprechend den Patentschriften US 6 831 275 B2 und GB 2 393 322 B ). Der Auswurf durch nichtlineare Resonanzen bietet darüberhinaus den Vorteil, dass die Ionen zu einer Seite hin ausgeworfen werden können, so dass nur ein Detektor erforderlich ist.To record a mass spectrum, a mass scan is required which alters the operating parameters of the ion trap so that the ions are ejected mass-selectively and mass-sequentially from the ion trap to the detectors and measured in the detectors. By "mass" is meant, as always in mass spectrometry, the charge-related mass m / z. Several types of such mass scans are known to the person skilled in the art, in particular the ejection due to memory instability on the edge of the Mathieu stability diagram, and the ejection of the ions by a radial resonant excitation with a dipolar excitation high-frequency voltage. In the latter case, the resonant ejection can be assisted by nonlinear resonances; It is then particularly fast scanning with high mass resolution possible, as in the published patent application DE 102 36 346 A1 (J. Franzen, G. Weiss) (corresponding to the patents US Pat. No. 6,831,275 B2 and GB 2 393 322 B ). The ejection by non-linear resonances also offers the advantage that the ions can be ejected to one side, so that only one detector is required.

Ein Vorteil linearer Ionenfallen gegenüber den so genannten dreidimensionalen Ionenfallen, die aus einer Ringelektrode und zwei Endkappenelektroden aufgebaut sind, besteht in ihrer leichteren Befüllbarkeit und ihrer hohen Aufnahmekapazität für Ionen. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die außerordentlich hohe Präzision, die hier für eine konstante Ausformung und Stärke des elektrischen Hochfrequenzfeldes in allen Querschnitten längs der Achse erforderlich ist. Die Präzision des Hochfrequenzfeldes wird dabei sowohl von Störungen an beiden Enden des Polstabsystems, Störungen an den Enden der Schlitze, wie auch insbesondere durch die mechanische Präzision in Form und Abstand der Polstäbe beeinflusst. Aus der Offenlegungsschrift US 2005/0056778 A1 (Thomson et al.) ist allerdings ein Massenanalysator mit Polstäben bekannt, die nicht parallel, sondern absichtlich unter einem Winkel angeordnet sind, so dass Ionen, die stirnseitig in den Massenanalysator eingeführt werden, entsprechend ihrer Masse an unterschiedlichen Stellen entlang der Polstäbe instabil werden. Die Ionenströme der ausgeworfenen Ionen werden ortsaufgelöst nachgewiesen.An advantage of linear ion traps over the so-called three-dimensional ion traps, which are composed of a ring electrode and two end cap electrodes, lies in their ease of filling and their high absorption capacity for ions. A disadvantage of this arrangement is the extremely high precision that is required here for a constant shape and strength of the high frequency electric field in all cross sections along the axis. The precision of the high-frequency field is influenced both by disturbances at both ends of the Polstabsystems, disturbances at the ends of the slots, as well as in particular by the mechanical precision in shape and spacing of the pole rods. From the publication US 2005/0056778 A1 (Thomson et al.), However, a pole-slab mass analyzer is known which is non-parallel but intentionally angled so that ions introduced into the mass analyzer at the end face become unstable according to their mass at different locations along the pole rods. The ion currents of the ejected ions are detected spatially resolved.

Normalerweise verwendet man Polstäbe mit einem inneren Scheitelabstand von acht Millimetern, also einem so genannten inneren Radius von vier Millimetern. Weicht dieser Radius an einer Stelle längs der Achse nur um zwei Mikrometer von seinem Sollwert ab, so werden an dieser Stelle Ionen der Masse 2001 u (oder 3999 u) statt der gewünschten 2000 u ausgeworfen. Sollen Ionen der Masse 1000 u ausgeworfen werden, so erscheinen an der abweichenden Stelle Ionen der Masse 1000,5 u (oder 999,5 u), das heißt, ein solches Massenspektrometer bietet keine brauchbare Auflösung, wenn solche Fehlstellen mit abweichenden Maßen vorkommen. Und es ist der nutzbare Massenbereich beschränkt, da oberhalb von 2000 u keine Auflösung von nur einer Masseneinheit mehr gegeben ist. Tatsächlich muss die mechanische Präzision der Polstäbe für ein brauchbares Massenspektrometer bei weit weniger als einem Mikrometer liegen.Normally, poles are used with an inner vertex distance of eight millimeters, that is, a so-called inner radius of four millimeters. If this radius deviates from its nominal value by only two microns at one point along the axis, ions of mass 2001 u (or 3999 u) are ejected instead of the desired 2000 u. If ions of mass 1000 μ are to be ejected, ions of the mass 1000.5 μ (or 999.5 μ) appear at the deviating point, that is to say such a mass spectrometer does not offer a usable resolution if such defects occur with deviating dimensions. And it is limited the usable mass range, since above 2000 u no resolution of only one mass unit more is given. In fact, the mechanical precision of the pole rods for a usable mass spectrometer are far less than a micrometer.

Die Forderung nach einer mechanischen Präzision von weit weniger als einem Mikrometer ist aber kaum zu erfüllen: Tatsächlich sind die kommerziellen Massenspektrometer dieser Art auf einen Massenbereich von 2000 u mit einer maximalen Auflösung am oberen Ende des Massenbereichs von etwa R = 4000 beschränkt, während kommerzielle dreidimensionale Ionenfallen, die aus Drehteilen bestehen, einen Massenbereich von 3000 u mit einer Massenauflösung von mehr als R = 10 000 am oberen Ende des Massenbereichs bieten. Für viele Anwendungen, bei spielsweise in der modernen Proteinanalytik, ist dieser Unterschied entscheidend.However, the requirement for a mechanical precision of far less than a micrometer is hard to fulfill: in fact, the commercial mass spectrometers of this type are limited to a mass range of 2000 u with a maximum resolution at the upper end of the mass range of about R = 4000, while commercial three-dimensional Ion traps, which consist of turned parts, provide a mass range of 3000 u with a mass resolution of more than R = 10 000 at the upper end of the mass range. For many applications, for example in modern protein analysis, this difference is crucial.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Massenbereich und Massenauflösung von linearen Ionenfallen zu verbessern, ohne eine hochpräzise Form des Hochfrequenzfeldes zu benötigen.It is the object of the invention to improve the mass range and mass resolution of linear ion traps without requiring a high-precision form of the high-frequency field.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung besteht darin, die zur Achse orthogonal ausgeworfenen Ionen nicht mit nur einem oder zwei längenübergreifenden Detektoren zu messen, sondern stattdessen eine Vielzahl von n Detektoren längs der Achse anzuordnen, und mit diesen Detektoren n ortsbezogene Massenspektren zu messen. Diese Massenspektren können massenkalibriert zu einem Summenspektrum zusammengefügt werden.The invention consists in not measuring the ions ejected orthogonally to the axis with only one or two cross-length detectors, but instead arranging a multiplicity of n detectors along the axis and measuring n site-specific mass spectra with these detectors. These mass spectra can be mass-calibrated to form a sum spectrum.

Dabei können sich die n Detektoren auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Polstabanordnung befinden, aber auch nur auf einer Seite. Für letzteren Fall ist es günstig, durch eine Überlagerung des quadrupolaren Hochfrequenzfeldes mit hexapolaren und oktopolaren Anteilen einen einseitigen Auswurf der Ionen zu erzeugen. Wird dabei der Auswurf durch nichtlineare Resonanzen unterstützt, so sind, wie bereits oben angemerkt, bei einer vorgegebenen Massenauflösung besonders schnelle Scanverfahren möglich.The n detectors can be located on two opposite sides of the Polstabanordnung, but also only on one side. In the latter case, it is favorable to produce a one-sided ejection of the ions by superposing the quadrupolar high-frequency field with hexapolar and octopolar portions. If the ejection is supported by nonlinear resonances, then, as already mentioned above, particularly fast scanning methods are possible at a given mass resolution.

Die n Detektoren können einfache Faraday-Auffänger sein, aber auch Sekundärelektronenvervielfacher (SEV). Besonders geeignet ist hier eine einzelne Sekundärelektronen verstärkende Vielkanalplatte (MCP = „multi channel plate”), die aber eine Anzahl von n einzelnen Elektronenauffängern zur ortsbezogenen Messung der austretenden Elektronenlawinen besitzt.The n detectors can be simple Faraday interceptors, but also secondary electron multipliers (SEVs). Particularly suitable here is a single secondary electron-amplifying multi-channel plate (MCP = "multi-channel plate"), but has a number of n individual electron collectors for the location-based measurement of the exiting electron avalanches.

Die einzelnen Ionenströme der n Detektoren können in Operationsverstärkern parallel verstärkt und in DA-Wandlern parallel zu n Werteketten digitalisiert werden, die jeweils ortsbezogene Massenspektren darstellen. Die Werteketten können dann Wert für Wert mit einem jeweils einmalig kalibrierten, massenproportionalen Versatz zu einer Summenwertekette addiert werden, aus der das Zielmassenspektrum gebildet wird.The individual ion currents of the n detectors can be parallel amplified in operational amplifiers and digitized in DA converters parallel to n value chains, which each represent location-specific mass spectra. The value chains can then be added value by value to a sum-value chain which is calibrated in each case once calibrated, mass-proportional offset, from which the target mass spectrum is formed.

Kurze Beschreibung der AbbildungenBrief description of the illustrations

zeigt das Grundschema einer linearen Ionenfalle nach bisheriger Technik mit vier hyperbolischen Polstäben (1, 2, 3, 4), von denen Polstab (1) einen Schlitz (5) trägt, und einem längenübergreifenden Detektor (6), der die Ionen misst, die aus dem Schlitz (5) ausgeworfen werden. Unterhalb des Polstabs (3) kann ein zweiter Detektor angeordnet sein. shows the basic scheme of a linear ion trap according to the prior art with four hyperbolic pole rods ( 1 . 2 . 3 . 4 ), of which Polstab ( 1 ) a slot ( 5 ) and a cross-length detector ( 6 ), which measures the ions coming out of the slot ( 5 ) are ejected. Below the pole ( 3 ) may be arranged a second detector.

In ist das Grundschema einer linearen Ionenfalle nach dieser Erfindung gezeigt, die vor dem Schlitz (5) eine Reihe von acht einzelnen Detektoren (7...14) aufweist, die längenaufgelöst einzelne ortsbezogene Ionenströme zu messen gestatten.In the basic scheme of a linear ion trap according to this invention is shown in front of the slot (FIG. 5 ) a series of eight individual detectors ( 7 ... 14 ), which allow the length-resolved to measure individual location-related ion currents.

zeigt schematisch die Addition einer Massenspektren-Wertekette (20) in eine Ziel-Wertekette (21) mit einem massenproportionalen Versatz, hier unter Dehnung des Massenspektrums (20), wobei die Werte (22) jeweils zweimal verwendet werden. schematically shows the addition of a mass spectra value chain ( 20 ) into a target value chain ( 21 ) with a mass-proportional offset, here by stretching the mass spectrum ( 20 ), where the values ( 22 ) are used twice.

zeigt schematisch die Addition einer Wertekette (23) in eine Ziel-Wertekette (24) mit einer Schrumpfung des durch die Wertekette (23) dargestellten Massenspektrums, wobei die Werte (25) jeweils ausgelassen werden. schematically shows the addition of a value chain ( 23 ) into a target value chain ( 24 ) with a shrinkage of the through the value chain ( 23 ) mass spectrum, the values ( 25 ) are omitted.

stellt schematisch eine lineare Ionenfalle mit Polstäben (30) und (31), einem Vorfilter mit Polstäben (32) und (33) und einem Nachfilter mit Polstäben (34) und (35) dar, wobei Vorfilter und Nachfilter in bekannter Weise den Feldverlauf im Inneren der linearen Ionenfalle verbessern sollen. Polstab (30) trägt eine Ausfräsung (36) für den Schlitz. Vor Polstab (30) befindet sich eine Sekundärelektronen verstärkende Vielkanalplatte (37), deren austretende Elektronenlawinen von den 16 Elektronenauffängern (38) aufgefangen und über Koax-Kabel (39) einer Verstärkung in Operationsverstärken (40) und Digitalisierung (41) zugeführt werden. Die digitalisierten Werte werden in FIFOs (42, „ferst-in-first-out”-Registern) zwischengespeichert, um den jeweiligen Versatz zu ermöglichen, dann in einem Rechenwerk (43), beispielsweise einem FPGA oder einem Signalprozessor, mit massenproportionalem Versatz addiert und über Leitung (44) dem weiterverarbeitenden Rechner zugeführt. schematically illustrates a linear ion trap with pole rods ( 30 ) and ( 31 ), a prefilter with pole rods ( 32 ) and ( 33 ) and a postfilter with pole rods ( 34 ) and ( 35 ), wherein pre-filter and post-filter in a known manner to improve the field profile in the interior of the linear ion trap. Pole ( 30 ) carries a cutout ( 36 ) for the slot. In front of pole ( 30 ) there is a secondary electron-amplifying multi-channel plate ( 37 ), whose escaping electron avalanches from the 16 electron receivers ( 38 ) and via coaxial cable ( 39 ) of a gain in operational amplification ( 40 ) and digitization ( 41 ). The digitized values are stored in FIFOs ( 42 , "First-in-first-out" registers), to allow for the respective offset, then in a calculator ( 43 ), for example an FPGA or a signal processor, with mass-proportional offset and added via line ( 44 ) supplied to the processing computer.

Beste AusführungsformenBest embodiments

Eine einfache, aber sehr effektive Ausführungsform besteht aus einer linearen Ionenfalle bisheriger Bauart, bei der aber beispielsweise die beiden Sekundärelektronen vervielfachenden Vielkanalplatten durch je eine Reihe von jeweils acht Elektronenauffängern abgedeckt ist, wie das in zu sehen ist. Wie oben ausgeführt, besteht ein Massenscan aus einem massenselektiven und massensequentiellen Auswurf der Ionen, wobei verschiedene, dem Fachmann bekannte Auswurfmethoden zur Anwendung kommen können. Jeder Elektronenauffänger ist mit einem Operationsverstärker verbunden, der den Ionenstrom aus einem kleinen Teilbereich längs der Achse des Polstabsystems nachverstärkt und jeweils einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler oder ADC) zuführt. Die insgesamt 16 digitalen ortsbezogenen Massenspektren, die jeweils aus einer langen Serie von digitalen Ionenstromwerten bestehen, können dann Wert für Wert addiert werden, wobei aber ein massenproportionaler Versatz der Wertereihen zueinander so vorgenommen wird, dass gleiche Massensignale bestmöglich aufeinander addiert werden. Der bestmögliche massenproportionale Versatz muss einmal anhand von Kalibrierspektren bestimmt werden. Ein Schema einer solchen Addition mit massenproportionalem Versatz aus einem Massenspektren-Wertespeicher (20) in einen Zielspeicher (21) mit einer Dehnung des Massenspektrums durch doppelte Verwendung einiger Messwerte (22) ist in gezeigt. zeigt eine Addition unter Stauchung des Massespektrums (23), wobei einige Messwerte (25) nicht verwendet werden.A simple but very effective embodiment consists of a linear ion trap previous design, but in which, for example, the two secondary electrons multiplying multichannel plates is covered by a number of eight electron collectors, as in you can see. As stated above, a mass scan consists of a mass-selective and mass-sequential ejection of the ions, whereby various ejection methods known to those skilled in the art can be used. Each electron collector is connected to an operational amplifier, which amplifies the ion current from a small portion along the axis of Polstabsystems and in each case an analog-to-digital converter (ADC or ADC) supplies. The total of 16 digital location-related mass spectra, each consisting of a long series of digital ion current values, can then be added value by value, but with a mass-proportional offset of the value series relative to each other so that the same mass signals are added together in the best possible way. The best possible mass-proportional offset must be determined once based on calibration spectra. A scheme of such addition with mass proportional offset from a mass spectral value memory ( 20 ) into a destination memory ( 21 ) with an expansion of the mass spectrum by double use of some measured values ( 22 ) is in shown. shows an addition under compression of the mass spectrum ( 23 ), whereby some measured values ( 25 ) Not used.

Durch den massenproportionalen Versatz bei der Addition der einzelnen Massenspektren-Wertereihen werden dabei die Spektren aus Bereichen mit leicht verändertem Radius der Polstäbe an die übrigen Spektren angeglichen, so dass insgesamt ein Massenspektrum höherer Massenauflösung erhalten wird. Es können dabei aber auch alle anderen Arten von Störungen durch dieses Vorgehen eliminiert werden, wie beispielsweise Einflüsse der Endelektroden des Polstabsystems oder Einflüsse der Schlitzenden auf das Hochfrequenzfeld.Due to the mass-proportional offset in the addition of the individual mass spectrum value series, the spectra from regions with a slightly different radius of the pole rods are matched to the other spectra, so that overall a mass spectrum of higher mass resolution is obtained. However, all other types of disturbances can be eliminated by this procedure, such as, for example, influences of the terminal electrodes of the pole system or influences of the slot ends on the high-frequency field.

Noch günstiger ist es, durch eine Überlagerung des Quadrupolfeldes mit Hexapol- und Oktopolfeldern zu erreichen, dass die Ionen nur einseitig aus dem Polstabsystem ausgeworfen werden. Es sind dann nicht mehr zwei Vielkanalplatten mit insgesamt 16 Elektronenauffängern notwendig, sondern eine gleiche Massenauflösung kann mit nur einer Vielkanalplatte und acht Elektronenauffängern erzielt werden. Gleichzeitig wird dabei auch die Anzahl der Operationsverstärker und ADCs verringert. In besonderer Weise kann dabei auch eine Unterstützung des Ionenauswurfs durch nichtlineare Resonanzen verwendet werden, die den Auswurf beschleunigt und schärfer macht, so dass ein besseres Massenauflösungsvermögen bei gleicher Scangeschwindigkeit erreicht wird. Bei Überlagerung mit einem Hexapolfeld tritt eine starke nichtlineare Resonanz bei einem Drittel der Hochfrequenz auf, die bevorzugt verwendet werden kann, indem auch die dipolare Anregungshochfrequenz bei dieser Frequenz gewählt wird und der Massenscan durch eine stetige Erhöhung der Hochfrequenzspannung an den Polstäben durchgeführt wird.It is even better to achieve, by superimposing the quadrupole field with hexapole and octopole fields, that the ions are ejected from the pole system on only one side. There are then no longer two multi-channel plates with a total of 16 electron collectors necessary, but a similar mass resolution can be achieved with only a multi-channel plate and eight electron collectors. At the same time, the number of operational amplifiers and ADCs is also reduced. In a special way, support for ion ejection by non-linear resonances can also be used, which accelerates the ejection and makes it sharper, so that a better mass resolution capability is achieved at the same scanning speed. When superimposed with a hexapole field, strong nonlinear resonance occurs at one-third of the radio frequency, which can preferably be used by also selecting the radio frequency excitation radio frequency at that frequency and performing the mass scan by continuously increasing the radio frequency voltage on the pole rods.

Eine solche lineare Ionenfalle wird üblicherweise mit einer Frequenz der Hochfrequenzspannung von etwa einem Megahertz betrieben. Ein resonanter Auswurf mit Unterstützung durch nichtlineare Resonanz tritt dann bei etwa 333 Kilohertz auf. Es ist hiermit möglich, in einem Schnellscan eine schwingungssynchrone Abtastung der ausgeworfenen Ionenpakete mit 333 Kilohertz so vorzunehmen, dass pro ladungsbezogener Masseneinheit (atomare Masseneinheit u) genau 8 Abtastungen des Ionenstroms vorgenommen werden. Durch die Verwendung von acht Elektronenauffängern und durch die Addition der Spektren mit massenproportionalem Versatz kann erreicht werden, dass die maximale Abweichung der Massenspektren voneinander nur bei einem Achtel einer Masseneinheit liegt; damit lassen sich gut zwei Ionenstromsignale bei einer Masseneinheit trennen. Das bedeutet, dass man auch doppelt geladene Ionen noch gut massenaufgelöst messen kann. Es ist damit auch die Obergrenze für den sinnvollen Massenbereich erweitert, mit dieser Art des Ionenstromnachweises kann man durchaus einen Massenbereich bis zu 3000 u und darüber erreichen. Ein voller Massenschnellscan bis zur Masse 3000 u braucht nur etwa 80 Millisekunden.Such a linear ion trap is usually operated at a frequency of the high frequency voltage of about one megahertz. Resonant ejection supported by nonlinear resonance then occurs at about 333 kilohertz. It is thus possible to perform a synchronous scan of the 333 kilohertz ejected ion packets in a fast scan so that exactly 8 samples of the ion current are taken per charge-related mass unit (atomic mass unit u). By using eight electron scavengers and adding the mass-proportional offset spectra, one can achieve that the maximum deviation of the mass spectra from each other is only one-eighth of a mass unit; this makes it easy to separate two ion current signals at one mass unit. This means that even doubly charged ions can still measure well in a mass-resolved manner. This also extends the upper limit for the meaningful mass range, with this type of ion current detection one can certainly reach a mass range of up to 3000 u and above. A full mass scan up to mass 3000 u takes only about 80 milliseconds.

Mit langsamerem Massenscan, wie er beispielsweise für die Messung von Peptiden angewandt wird, kann man 16 Abtastungen pro Masseneinheit einstellen. Ein voller Massenscan bis zur Masse 3000 u dauert selbst dann nur etwa 160 Millisekunden. Im Hinblick auf eine höhere Massenauflösung ist es günstig, nicht nur acht, sondern 16 Elektronenauffänger längs der Achse des Polstabsystems zu verwenden, wie in dargestellt. Man kann dann auch bei mäßiger Präzision des Polstabsystems und entsprechend kalibriert massenproportional versetzter Addition eine Massenauflösung von vier Ionensignalen („Peaks”) pro Masseneinheit erzielen. Es ist damit möglich, die Isotopengruppen von vierfach geladenen Ionen aufzulösen. Durch die Verwendung von 16 Elektronenauffängern (38), 16 Operationsverstärkern (40) und 16 Analog-Digital-Wandlern (41) ist es möglich, statt eines üblicherweise verwendeten DAC mit 16 bit Breite 16 DACs mit nur jeweils 12 bit Breite zu verwenden. Für einen hohen dynamischen Messbereich ist es noch günstiger, 16 DACs mit jeweils 14 bit Breite einzusetzen, die dann als Ergebnis ein Summenspektrum liefern, das dem eines DAC mit 18 bit Breite entspricht. Damit können Massenspektren aus Füllmengen der linearen Ionenfalle mit 100 000 Ionen noch intensitätstreu gemessen werden. 14-bit-DACs sind heute für unter 10 US-Dollar zu bekommen; es gibt auch Kombinationen von jeweils acht 14-bit-ADCs in nur einem Baustein (41), wie in schematisch dargestellt. Die gesamte Technik mit 16 Operationsverstärkern, 16 AD-Wandlern, Adressierern und entsprechendem Speicher für die Digitalwerte ist heute leicht auf einer relativ kleinen Platine unterzubringen und preiswert herzustellen.With slower mass scanning, as used for example for the measurement of peptides, one can set 16 scans per unit mass. A full mass scan up to the mass of 3000 u takes only about 160 milliseconds. In view of a higher mass resolution, it is favorable to use not only eight, but 16 electron collectors along the axis of the pole system, as in shown. It is then possible to achieve a mass resolution of four ion signals ("peaks") per unit mass even with moderate precision Polstabsystems and appropriately calibrated mass proportional addition. It is thus possible to dissolve the isotopic groups of fourfold charged ions. By using 16 electron scavengers ( 38 ), 16 operational amplifiers ( 40 ) and 16 analog-to-digital converters ( 41 ), it is possible to use 16 DACs with only 12 bit widths instead of a commonly used 16 bit wide DAC. For a high dynamic range it is even better to use 16 DACs each with a width of 14 bits, which then results in a sum spectrum that corresponds to that of an 18-bit wide DAC. Thus, mass spectra from fill quantities of the linear ion trap with 100,000 ions can still be measured with high intensity stability. 14-bit DACs are available today for under $ 10; there are also combinations of eight 14-bit ADCs in a single device ( 41 ), as in shown schematically. The entire technology with 16 operational amplifiers, 16 AD converters, adapters and corresponding memory for the digital values is now easy to accommodate on a relatively small board and inexpensive to manufacture.

Die massenabhängig versetzte Addition kann in einem angeschlossenen PC durchgeführt werden. Bei einem Massenbereich von 3000 u und 16 Werten zu 16 bit Breite pro Masseneinheit braucht ein einzelnes Massenspektrum nur 96 Kilobyte. Es kann aber hier leicht ein Engpass auftreten, wenn aus einem Massenspektrum eine sofortige Rückmeldung zur Steuerung eines nächsten Massenspektrums vorzunehmen ist, beispielsweise zur Messung eines Tochterionenspektrums einer bestimmten Ionensorte. Für diesen Fall kann vorgesehen werden, dass eines der 16 Massenspektren in Echtzeit in den PC übertragen wird, und dieses Spektrum wird zur Rücksteuerung ausgewertet. Dieses Spektrum hat zwar ein schlechteres Verhältnis der Signale zum Rauschen, sonst aber die gleiche Güte wie das Summenspektrum.The mass-dependent added addition can be carried out in a connected PC. For a mass range of 3000 u and 16 values at 16 bit width per unit mass, a single mass spectrum only needs 96 kilobytes. However, a bottleneck can easily occur here if an immediate feedback for the control of a next mass spectrum has to be made from a mass spectrum, for example for measuring a daughter ion spectrum of a specific ion type. In this case it can be provided that one of the 16 mass spectra is transmitted to the PC in real time, and this spectrum is evaluated for feedback. Although this spectrum has a lower ratio of the signals to the noise, but otherwise the same quality as the sum spectrum.

Eine bessere elektronische Variante verwendet ein Rechenwerk (43) für die Summierung der 16 Einzelspektren mit massenproportionalem Versatz. Dieser Baustein (43) kann auf der gleichen Platine untergebracht werden und kann das Summenspektrum fast in Echtzeit (nur mit einer leichten Vorlaufzeit für den Versatz) über einen Bus (44) an den PC weiterleiten. So sind Rück steuerungen möglich, die auf einer Auswertung der Summenspektren beruhen. Als Rechenwerk (43) kann beispielsweise ein FPGA („field programmable gate array”), es kann aber auch ein schneller Signalprozessor (43) zur Addition eingesetzt werden. Um für die versetzte Addition immer die entsprechend versetzten Werte bereitzuhalten, ist es günstig, FIFO-Register (42, „first-in-first-out”) zwischenzuschalten. Die FIFOs werden zu Beginn etwa halb gefüllt, bevor die Addition beginnt, ihr Inhalt beziehungsweise ihr Leerstand kann die für das versetzte Addieren notwendige Pufferung übernehmen. Günstig sind FIFOs, die etwa jeweils 32 Messwerte zwischenspeichern können, es kann dann ein Versatz von 16 Messwerten, also einer vollen Masseneinheit nach oben und unten, aufgefangen werden, also Abweichungen der Präzision in der parallelen Ausrichtung der Polstäbe von plus/minus acht Mikrometern. Die acht Mikrometer Abweichung sollten jedoch vermieden werden, da dadurch restliche Beeinträchtigungen der Massenauflösung entstehen, die nicht ausgeglättet werden können.A better electronic variant uses a calculator ( 43 ) for the summation of the 16 individual spectra with mass-proportional offset. This building block ( 43 ) can be accommodated on the same board and can transfer the sum spectrum over a bus almost in real time (only with a slight lead time for the offset) 44 ) forward to the PC. Thus, feedback controls are possible based on an evaluation of the sum spectra. As an arithmetic unit ( 43 ) can, for example, an FPGA ("field programmable gate array"), but it can also be a fast signal processor ( 43 ) are used for addition. In order to always have the corresponding staggered values available for the staggered addition, it is favorable to use FIFO registers ( 42 , "First-in-first-out"). The FIFOs are filled at the beginning about halfway before the addition starts, their content or their vacancy can take over the buffering necessary for the added addition. Favorable are FIFOs, which can cache about 32 measured values, it can then be an offset of 16 measurements, ie a full mass unit up and down, collected, so deviations in precision in the parallel orientation of the pole rods of plus / minus eight microns. However, the eight micron deviation should be avoided as this will cause residual degradation of the mass resolution which can not be smoothed out.

Es ist aber nicht unbedingt notwendig, acht oder 16 Analog-Digital-Wandler einzusetzen. Man kann die einzeln verstärkten Ionenströme auch durch einstellbare, massenproportional verstellbare Verzögerungsglieder so gegeneinander verzögern, dass wiederum ein hohes Auflösungsvermögen entsteht. Die massenproportionalen Verzögerungen werden nur ein einziges Mal (möglichst im Herstellerwerk) relativ zueinander einjustiert. Die justiert verzögerten analogen Ionenströme werden dann analog addiert und dem Analog-Digital-Wandler zugeführt.However, it is not absolutely necessary to use eight or 16 analog-to-digital converters. It is also possible to delay the individually amplified ion currents by adjustable, mass proportional adjustable delay elements against each other, so that again a high resolution is created. The mass-proportional delays are only adjusted once (preferably in the factory) relative to each other. The adjusted delayed analog ion currents are then added analogously and fed to the analog-to-digital converter.

Die einzelnen Elektronenauffänger über der Vielkanalplatte brauchen nicht alle gleich groß zu sein. Es kann eine andere Teilung günstiger sein, beispielsweise, um Störungen an den Enden der Schlitze des Polstabsystems durch schmalere Auffänger feiner ausgleichen zu können.The individual electron collectors on the multi-channel plate need not all be the same size. It may be cheaper for another division, for example, to be able to compensate for disturbances at the ends of the slots of Polstabsystems by narrower interceptors finer.

Ein hoher Massenbereich mit hoher Massenauflösung ist gerade für Anwendungen in den Biowissenschaften von hohem Wert, da der Trend zu Untersuchungen immer größerer Biomoleküle geht, die dann vielfach erst im Massenspektrometer fragmentiert werden. Moderne Ionenfallen-Massenspektrometer sind ganz überwiegend mit Elektrosprüh-Ionenquellen ausgerüstet, die von größeren Biomolekülen dann vielfach geladene Ionen erzeugen. Schon aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn der Massenanalysator auch die Isotopengruppen nicht nur von zweifach geladenen Ionen, sondern auch von drei- und vierfach geladenen Biomolekülen auflösen kann. Setzt man Deprotonierungsverfahren ein, um die Anzahl z der Ladungen zu vermindern, so ist wiederum ein hoher Massenbereich gefragt, da dann die im Massenspektrometer gemessene ladungsbezogene Masse m/z sehr groß wird.A high mass range high mass range is of high value for life sciences applications in particular, as the trend is towards studies of ever larger biomolecules, which are often fragmented in the mass spectrometer. Modern ion trap mass spectrometers are predominantly equipped with electrospray ion sources, which then generate multicomponent ions from larger biomolecules. For this reason alone, it is advantageous if the mass analyzer can also dissolve the isotope groups not only of doubly charged ions but also of triply and quadruply charged biomolecules. If one uses deprotonation to reduce the number z of charges, so again a high mass range is required, since then measured in the mass spectrometer charge-related mass m / z is very large.

Statt der Messeinrichtung einer oder zwei längenübergreifenden Vielkanalplatten mit geteilten Elektronenauffängern können auch eine Vielzahl von andersartigen Messeinrichtungen verwendet werden, beispielsweise Faraday-Auffänger, einzelne Dynoden-Multiplier, einzelne Channeltron-Multiplier, oder auch einzelne Vielkanalplatten-Multiplier.Instead of the measuring device one or two cross-length multi-channel plates with split electron collectors, a variety of different types of measuring devices can be used, such as Faraday interceptor, single dynode multiplier, single channeltron multiplier, or single multi-channel plate multiplier.

Der Fachmann auf diesem Gebiet kann in Kenntnis dieser Erfindung leicht weitere technische Anpassungen einer linearen Ionenfalle an die analytischen Aufgaben vornehmen.Those skilled in the art, given the benefit of this invention, can readily make further technical adjustments to a linear ion trap to the analytical tasks.

Claims

Linear ion trap for a mass spectrometer, with radial ejection of the ions, characterized in that along the axis on one ejection side or two opposite ejection sides of the linear ion trap a plurality of n measuring means for location-based measurement of the streams of the ejected ions is arranged.

Linear ion trap according to claim 1, characterized in that the n measuring devices n post-amplifiers and n analog-to-digital converters are connected downstream of the n Generate n ranges of value, where the n ranges n represent location-specific mass spectra.

Linear ion trap according to claim 2, characterized in that an arithmetic unit is present in which at least some of the n ranges of values are added to a sum-value series determined by means of calibration substances in a mass-proportional offset.

Linear ion trap according to claim 3, characterized in that in the arithmetic unit memory for calibration constants are provided with which the mass proportional offset is controlled in the addition.

Linear ion trap according to one of Claims 3 or 4, characterized in that a PC, an FPGA or a signal processor is used as the arithmetic unit for adding the value series to a sum value series.

Linear ion trap according to claim 5, characterized in that for each value series a FIFO register is provided, which serves as a value buffer for addition with a mass-proportional offset.

Linear ion trap according to claim 1, characterized in that the n measuring devices consist of one or two multi-channel plates, whose escaping electrons are trapped by n electron collectors.

Linear ion trap according to claim 1, characterized in that adjustable delay lines are provided in which the currents of the n measuring devices are delayed in an adjustable mass-proportional manner, in order then to be combined and digitized.

Measurement method for a linear ion trap according to claim 1, characterized in that ions are mass selectively ejected orthogonal to the axis of the linear ion trap, are measured at measuring devices along the axis location-specific mass spectra and the mass spectra are mass-massed together to form a sum spectrum.